利用量子纠缠实现星际远距离瞬时通信

向亚峰

一般认为，量子纠缠意味着处于纠缠态的粒子即使相隔遥远，当其中的任何一个粒子被测量，在测量的瞬间，处于纠缠态的粒子相互之间会以某种方式超光速瞬时传递信息。爱因斯坦的相对论认为，时空中的任何物质的运动都不可能超过光速，并因此认为不可能有任何信息的传递速度会超过光速。但是目前大多数物理学家们都相信，对量子纠缠态粒子所进行的实际的实验观测结果支持量子纠缠态粒子之间存在超光速瞬时信息传递的结论。

尽管如此，很多人还是认为，这种远程瞬时信息传递并不意味着在实际的信息通信中有可能实现超光速瞬时通信。因为当处于纠缠态的粒子被观测时被没有任何粒子实际以超光速运动。

下面介绍，利用处于GHZ纠缠态的3纠缠态光子实现远距离瞬时信息传递的原理和方法。

假设|0>表示光子的偏振方向沿z方向朝上，|1>表示光子的偏振方向为跟z方向垂直的水平方向。当3个光子处于GHZ纠缠态，波函数可表示为：

|GHZ> ＝ |000> ＋ |111>

在3个光子中的任何一个光子被观测之前，3个光子都处于纠缠态。当其中的任何一个光子被测量，在这个光子的状态被确定为处于状态|0>或状态|1>的瞬间，另外2个光子的状态都将同时确定。测量后，3个光子都将同样地处于状态|0>，或者3个光子都同样地处于状态|1>。

利用GHZ纠缠态进行超光速瞬时通信的原理如下：

观测者Alice和Bob分别在相隔遥远方向相反的两地A和B，纠缠态光子源O放在观测者Alice（A）和Bob（B）的中间，从光源O发出的GHZ纠缠态光子经过一定时间后分别到达地点A和地点B。光子源O产生的光子每组3个光子处于GHZ纠缠态。3个光子中的其中一个光子向Alice方向运动，另外2个光子都向Bob方向运动。每组的3个光子中，往Alice方向的光子到达地点A时间，总是比另外2个往Bob方向的光子到达地点B的时间要早一些。

对到达地点A的光子，Alice可以选择不做任何测量，也可以选择对光子的偏振方向实施测量。Alice在对到达的光子进行测量时，总是沿与竖直方向偏45°方向测量光子的偏振方向。

而Bob选择总是保持分别对2个光子进行测量，并且总是沿竖直方向测量光子的偏振方向，并且总是对被同时观测到的2个光子的偏振方向进行比较，检查2个光子的偏振方向的相关性。

当Alice不对到达地点A的光子做任何观测的时候，如果Bob对到达地点B的2个光子进行观测，由于这2个光子和另外1个往Alice方向的光子处于GHZ纠缠态，可以预期到达地点B的这2个光子的偏振方向的相关性等于1，也就是2个光子的偏振方向一定相同。

如果Alice选择对到达地点A的光子进行观测，Alice总是沿与竖直方向偏45°方向测量到达光子的偏振方向，由于3个光子是处于GHZ纠缠态，当到达地点A的光子被观测时，3个光子的偏振方向将全都处于与竖直方向偏45°的方向，或者是全都处于与竖直方向偏-45°的方向，并且这3个光子的偏振方向相同。在Alice对到达地点A的光子进行测量之后，这3个光子就不再处于纠缠态，3个光子都具有确定的偏振方向。也就是发生了所谓的波函数坍塌。

在Alice对到达地点A的光子测量之后，当Bob对到达地点B的同一组的另外2个光子的偏振方向分别进行测量时，由于Bob对光子的偏振方向是竖直方向进行测量，跟光子的偏振方向成45°或-45°的夹角，光子被观测到偏振方向沿竖直方向和沿水平方向的概率分别为0.5.这样，Bob将会观测到这2个光子的偏振方向不再总是保持一致，2个光子的偏振方向相同或不同的概率分别为0.5，也就是说这2个光子的偏振方向的相关性等于0.

无论Alice和Bob相距多么遥远，即使是相距1光年或者更远，只要Bob观测到来自3光子GHZ纠缠态光子源的2个光子的偏振方向相关性为0，Bob就可以立刻知道Alice正在对到达地点A的另一个光子进行了测量；如果Bob观测到来自3光子GHZ纠缠态光子源的2个光子的偏振方向相关性为1，Bob就可以推断Alice此时没有进行测量。

好啦！Alice终于有了向Bob瞬间传递信息的方法。只要Alice采用一个固定的时间间隔，把在固定时间间隔内，总是测量光子代表传递信号“1”，不测量代表传递信号“0”，然后将要传递的信息进行编码，Alice就可以采用切换测量和不测量光子的方式向Bob发送信息。而Bob就可以根据每2个光子的偏振方向相关性的交替变化，瞬间就可以知道Alice发出的信息了！

如果Bob要向Alice发送信息，还需要建立另外一个3光子GHZ纠缠态光通信通道。在这个通信通道里，Alice那边始终保持对2光子的偏振方向相关性的观测，Bob利用切换测量和不测量的方式向Alice发送信息。这样，Alice和Bob即使远隔一光年，也可以进行星际间的即时通信了，而不是在发出消息之后要等待一年以上才能收到对方的回信！

更进一步的探讨

利用量子纠缠态光子可以实现星际间瞬时通信，这一点也从另一方面进一步显现出了量子力学和相对论在时空观念上的根本性冲突。在前面我们多次提到了“瞬间”这个词，但是关于“瞬间”的含义是很模糊的。按照爱因斯坦的相对论，“同时”是相对的，跟观测者所选的参照系有关。

我们来探讨一下这样一个场景，Alice和Bob两人相互通信所需要的2个GHZ纠缠态通信通道的3纠缠态光子源，放在一个固定的位置（通信基站）。而Alice和Bob则乘坐接近光速的火箭，先在通信基站处汇合，把各自的时钟跟通信基站的时钟对时，然后沿相反的方向飞往各自的星球，2个火箭的飞行速度相同并且在飞行中始终保持匀速飞行。在飞行的途中Alice和Bob保持瞬时通信联络。

在通信基站的观察者看来，飞行中的Alice和Bob虽然与基站的距离在不断变化，但是基站跟Alice和Bob各自之间相隔的距离总是相等的。因此在使用纠缠态通信通道相互通信方面，跟Alice和Bob处于静止状态时没有什么区别。

但是在Alice看来，Bob相对于她以接近光速飞行，Bob的时钟要比她的慢。对同一组的3个纠缠态光子进行测量的时间，Bob总是在她测量之后才测量。这样问题就来了，Alice认为由于她总是在Bob之前测量，她所观测到的2光子的偏振方向相关性应该会总是1。也就是说，Bob总时在她接收信息之后才发出信息，这样的话她将无法接收到来自Bob的信息。

虽然Bob同样也有跟Alice相同的困惑，但是Bob认为，在通信基站的观察者看来，他和Alice之间进行瞬时通信是完全可以正常进行的。对于实际发生的物理事件，不同的观察者不应该看到不同的事件。因此他觉得他跟Alice之间使用通信基站的瞬时通信服务进行瞬时通信应该是没有问题的。虽然“瞬间”和“同时”对Bob来说仍然还是不太好理解。

为了理解“同时”究竟是怎么回事，Bob拍摄了一张自己的时钟的照片发给Alice。Alice收到了照片（Alice确实收到了照片，这一点在通信基站的观察者可以作证），她感到非常有趣的是，根据照片上的时间，她收到的是Bob的“未来”的照片。她拿起望远镜看Bob，她能够看到Bob拍摄时钟照片发给她的情景。

“同时”和“瞬间”，到底是怎么回事……，Alice和Bob绝对太奇妙了！